仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化

提出了微扑翼机构翅翼的共振激励放大驱动机理及其对翅翼的振动模态要求,并依据该机理用有限元方法研究了微扑翼飞行器的仿生翼设计和优化问题。通过对3种仿昆虫翅翼的模态分析,总结出能够满足共振激励要求的翅翼外型和翅脉布局,建立了参数化的自定义仿生翼模型。在此基础上,以翅翼的展弦比和翅脉关键点的坐标为主要参数,使用有限元优化方法,对仿生翅翼的模态优化进行了初步探讨。文中的建模、分析方法和结论对微扑翼飞行器的分析、设计和应用提供了一定的理论依据。     

柔性空间扑翼机构的刚柔耦合动力特性分析

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。     

仿鹰扑翼飞行器设计及多飞行模式的实现

现有仿生扑翼飞行器大多针对单一飞行模式进行设计与研究,无法实现复杂多变的飞行姿态。文中根据鹰的飞行特性,以空间RSSR机构和多连杆机构为出发点,设计了一种扑动-折叠-扭转的仿鹰扑翼机构,以实现多飞行模式。首先,通过鹰的仿生学研究,根据总体设计目标提出多飞行模式扑翼飞行器功能设计要求;其次,基于XFLR5建立了多飞行模式扑翼的气动力模型,分析了起飞、巡航、降落3种典型飞行模式下的翅翼气动力的变化规律;最后,根据飞行参数建立了机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑翼在不同飞行模式下的运动变化规律及翼尖轨迹曲线。证明该扑翼机构具有良好的仿生运动特性和气动特性,为多飞行模式微型扑翼飞行器提供了设计参考。     

仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计

实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有翅翼的翻转.为了设计微扑翼飞行器的翅翼机构,深入研究了8字形曲线的形状谱特征,发现了形状谱及其相似度计算公式无法有效识别不同8字形曲线的问题.针对该问题,提出了一种基于形状谱提取8字形连杆曲线特征参数和区分8字形连杆曲线的新方法,并用此方法进行了仿鹰蛾微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计.     

微型扑翼飞行器仿生悬停原理研究

根据现有微型扑翼飞行器悬停技术的不足,研究了基于蜂鸟扑翼运动的仿生翻转翼悬停方式,提出了实现该种悬停方式的运动机构和控制方式,为实现微型扑翼飞行器高效悬停飞行及有效控制提供了依据.     

仿昆虫柔性翼的空间柔度及模态特征设计

仿生扑翼飞行机器人具有体积小、重量轻、飞行灵活等特点,目前微型飞行机器人研究的热点领域之一。在昆虫飞行仿生学原理研究的基础上,提取出昆虫翅翼的主要结构特征,分别建立了蝴蝶、黄蜂、家蝇翅翼结构的有限元模型。通过静力学分析,研究了昆虫翅翼的整体空间柔度分布规律及其与飞行中翅翼柔性变形之间的联系。通过模态分析研究了翅翼的固有频率及振型与扑翼运动规律之间的关系。在此基础上,提出一种综合考虑空间柔度分布及模态特性的仿生柔性翼优化设计方法,为仿生扑翼飞行机器人的翅翼研制提供了理论指导。     

仿生扑翼飞行简化力学模型及其实验研究

在研究鸟飞行机制的基础上，通过对扑翼飞行翅的简化和分析，建立了仿生扑翼飞行的简化力学模型，结合翼形导出了在一个扑动周期中翅上所产生的平均前进力和升力公式。实验证明了该简化力学模型及相应力学分析的可靠性和正确性。研究成果为进一步研制仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

用Fluent分析仿生翅翼运动产生的升力和升力系数

在微型扑翼飞行器的分析和设计中,仿生翅翼运动所产生的升力和升力系数具有重要的意义.应用计算流体力学分析软件Fluent对其进行了研究.研究结果表明翅翼在不同的运动模式下所产生的升力和升力系数是不同的,对比翅翼在匀速拍动或单纯以正弦规律拍动时的升力系数和基于铰链四杆机构驱动翅翼拍动时产生的升力系数,结果表明后者拍动时可以获得更大的升力系数;Fluent是对不同的翅翼运动模式下进行升力和升力系数分析比较简便、有效的工具.     

可变幅扑翼飞行器设计及多飞行模式实现

针对目前扑翼飞行器飞行模式单一,无法灵活调整飞行姿态的问题,设计了一款可变幅扑翼飞行器,通过调节翅翼扑动幅值,实现扑翼运动姿态和飞行模式切换.建立可变幅扑翼飞行器机构运动学模型,基于Adams和Matlab进行联合仿真,对扑翼飞行器进行运动特性分析.建立多飞行模式下的气动模型,通过XFLR5软件分析可变幅扑翼飞行器的气动特性,通过设定相关参数,实现了起飞、快速飞行、慢速巡航等多种飞行模式,提高了扑翼飞行器的灵活性,为未来扑翼飞行器的进一步发展提供了研究基础.     

翅脉结构对扑翼翼面力学性能影响分析

扑翼飞行器是根据仿生原理,通过拍动翅膀模拟昆虫飞行的一种飞行器,其无论在民用还是军用领域都有着广泛的应用空间。主要以扑翼飞行器翅翼为研究对象,采用软件模拟仿真方法,分析翅脉夹角、翅脉数量以及翅脉位置三种因素对扑翼翼面力学性能的影响。研究结果表明,翅脉结构变化对翼体有显著影响,并存在一定规律,对指导翅脉结构设计有一定指导意义。     

昆虫飞行高升力机理的研究

随着仿生扑翼飞行机器人的微型化,当扑翼飞行机器人达到昆虫量级的时候,任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题.本文从研究现有比较成熟的昆虫飞行高升力机制出发,指出了现有"昆虫飞行高升力机理"研究成果中存在的一些问题,用"柔性楔形效应"对昆虫飞行高升力机理进行了合理解释,提出"柔性楔形效应"是昆虫前飞过程中获得很大升力的主要原因.用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力机理,翅翼运动的模拟方式有可能只需在自适应变形状态下施以简单的节律运动.该结论将对仿生扑翼飞行机器人的研究产生重要影响.     

基于昆虫翅膀运动机理的仿昆拍式翅研究

仿昆拍式翅是以昆虫翅膀运动机理为基础的仿生设计。对仿昆拍式翅翅膀进行了研究，提出几种控制翅膀空气流动的方法以及升力估算方法，并对翅膀的设计和制造等问题进行详细探讨。简要分析了仿昆拍式翅的运动机构和驱动系统，设计出了一种新颖的小型仿昆拍式翅。     

一种柔性微型扑翼设计及其气动力特性的试验研究

微型扑翼机以其优良的机动性、低噪音、低成本、执行任务的多功能性以及在现代高科技局部战争中的潜在应用价值而得到各科技先进国家的重视,投入了大量精力开展研究工作。在我国也已经初步开展对微型扑翼机研究。但由于与微型扑翼飞行相关的低雷诺数空气动力学研究还处于萌芽阶段,对微型扑翼的设计研究工作尚无可供指导的成熟理论和借鉴的经验,目前微型扑翼的设计研究基本上是以试验为主。本文参照动物的扑翼飞行实例和固定翼飞行器机翼设计的经验,在对扑翼飞行基本原理分析研究的基础上,设计制作了一种微型扑翼及扑翼的驱动机构,采用直流电动机作为动力,通过调节驱动电压来控制扑动的频率。并对该微型扑翼进行了空气动力特性试验,得到了微型扑翼的空气动力特性,并从中得出了影响扑动升力的一些因素。实验结果表明,具有柔性翼面的扑翼,其产生的升力和推力较高而且比较稳定。     

拍翅式微型飞行器运动学的研究

对于拍翅式微型飞行器,设计了一种能产生大升力的翅拍动形式,分析计算了翅拍动所产生的气动力和气动力矩,导出了拍翅式微型飞行器机体的运动微分方程。利用该运动微分方程,可以对拍翅式微型飞行器的位置和姿态进行控制。     

Microstructure and material properties of hind wings of a bamboo weevil Cyrtotrachelus buqueti (Coleoptera: Curculionidae)

Wings of flying insects, as representative biomaterials, are composed of a flexible membrane and a stiff vein structure that are prone to bending and deformation under aerodynamic forces. Therefore, we must investigate the application value of insect wings in the field of engineering design from the perspective of bionics, which is a new challenge. In this study, we measured the mechanical properties of the hind wings of Cyrtotrachelus buqueti including “dried” and “fresh” samples. The wing membrane samples were prepared by carefully cutting the hind wings into 2.0 mm by 8.0 mm rectangular segments using a gauge. As the major wing veins are the main loading units under aerodynamic forces, we also separated them from the wings as a kind of investigative specimen. The wing membranes were adhered to a specially designed paper fixture and the mechanical properties of the wing veins and membranes were evaluated using a tensile testing machine. We observed the microstructure of the samples using a scanning electron microscope and accurately measured the thicknesses of desired the wing membranes and veins. The results show that there is a difference in the mechanical properties of the two samples. The elastic modulus and Poisson's ratios vary over the region in hind wing, so we can conclude that the wing membrane is an anisotropic and non‐uniform material.     

基于TRIZ理论的微扑翼飞行器翅翼运动的规划

为了产生使微扑翼飞行器上升的升力,翅翼在下拍时的面积要尽可能大,而上拍时要尽可能小。针对这种物理矛盾,应用TRIZ理论的动态法,提出了近30种翅翼运动规划方案,其中许多是不曾采用过的。为新的翅翼驱动机构的设计提供了一定的基础。     

仿生扑翼飞行机器人柔性翅试验研究及其理论解释

以柔性翅为研究对象，在自行研制的气动力测量试验平台上进行升力试验研究，旨在为柔性翅的理论研究提供依据。试验结果表明，柔性翅能产生较之刚性翅更大的升力，说明柔性翅将更适合仿生飞行。针对翅变形对昆虫飞行高升力有贡献的试验结果，给出了一种基于柔性楔形效应的升力机制的理论解释。     

压电双晶片驱动的仿生柔性扑翼机构研究

分析了昆虫的翅膀-胸部运动系统,并以此为基础,仿生设计出压电双晶片驱动,柔性双摇杆机构放大位移并带动仿生翅拍动的扑翼系统.分析了压电双晶片的工作原理,讨论了柔性四杆机构的自由度和运动学,并对整个系统的准静力学进行探讨,以确定能否产生足够的力克服空气阻尼.仿真和实验结果表明,通过柔性机构放大压电双晶片位移,能实现仿生翅所需运动,同时进一步的优化设计将有助于改进扑翼机构的运动性能.